ES2656682T3 - Wind turbine control in response to wind shear - Google Patents
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Abstract
Método de control de una turbina eólica que tiene un rotor y una pluralidad de palas de rotor, que comprende obtener un valor de velocidad de viento, obtener una velocidad de rotación de una punta de las palas de rotor, determinar la carga de pala que comprende determinar momentos de flexión de pala, estimar una componente de cizalladura de viento vertical a través del plano de rotor a partir del valor de velocidad de viento y una estimación de momento de inclinación de cojinete principal derivada de los momentos de flexión de pala, una medida de paso de pala y ángulo acimutal, estimar una velocidad de viento sobre el plano de rotor a partir de la componente de cizalladura de viento vertical, determinar una relación de velocidad de punta a partir del valor de velocidad de viento y la velocidad de viento estimada sobre el plano de rotor, seleccionar una curva de relación de velocidad de punta frente al ángulo de paso de pala basándose en la componente de cizalladura de viento vertical estimada, seleccionar un ángulo de paso de pala basándose en la curva seleccionada y la relación de velocidad de punta, y ajustar el paso de pala según el ángulo de paso de pala seleccionado.Control method of a wind turbine having a rotor and a plurality of rotor blades, comprising obtaining a wind speed value, obtaining a rotational speed of a tip of the rotor blades, determining the blade load comprising determine blade bending moments, estimate a vertical wind shear component through the rotor plane from the wind speed value, and an estimate of main bearing tilt moment derived from the blade bending moments, a measure blade pitch and azimuth angle, estimate a wind speed over the rotor plane from the vertical wind shear component, determine a tip speed relationship from the wind speed value and the estimated wind speed On the rotor plane, select a curve of tip speed vs. blade pitch angle based on the vertical wind shear component and selected, select a blade pitch angle based on the selected curve and tip speed ratio, and adjust the blade pitch according to the selected blade pitch angle.
Description
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DESCRIPCIONDESCRIPTION
Control de turbinas eólicas en respuesta a la cizalladura de viento Campo de la invenciónWind turbine control in response to wind shear Field of the invention
Esta invención se refiere a turbinas eólicas y a métodos de control de turbinas eólicas. Se refiere particularmente al control de turbinas eólicas en respuesta a la cizalladura de viento.This invention relates to wind turbines and control methods of wind turbines. It refers particularly to the control of wind turbines in response to wind shear.
Antecedentes de la invenciónBackground of the invention
Generalmente, es deseable optimizar la salida de potencia por una turbina eólica. Durante periodos de alta cizalladura de viento, puede optimizarse la salida de potencia cambiando el ángulo de paso de las palas. Se conoce bien el control de paso de pala en el campo de turbinas eólicas. La mayoría de las turbinas eólicas comerciales usan control de paso colectivo en el que el paso de todas las palas se controla cambiando una referencia de paso común. Sin embargo, también se conoce usar un control de paso individual cíclico según el cual el paso de cada pala se controla cíclicamente a medida que rota. Las tres palas de turbina pueden tener un control común que aplica un control cíclico a cada desplazamiento de pala de 120°.Generally, it is desirable to optimize the power output by a wind turbine. During periods of high wind shear, the power output can be optimized by changing the pitch angle of the blades. Shovel pitch control in the field of wind turbines is well known. Most commercial wind turbines use collective pitch control in which the pitch of all blades is controlled by changing a common pitch reference. However, it is also known to use an individual cyclic pitch control according to which the pitch of each blade is cyclically controlled as it rotates. The three turbine blades can have a common control that applies a cyclic control to each 120 ° blade travel.
Actualmente se conoce optimizar la salida de potencia basándose en un ángulo de paso colectivo óptimo que se determina a partir de la velocidad de viento de góndola y la velocidad de rotor. Por tanto, la velocidad de viento en la que se basa la corrección es la velocidad de viento medida en la góndola. Sin embargo, la velocidad de viento a lo largo de la longitud de la pala y alrededor del plano de rotación puede variar enormemente. Con un perfil de cizalladura de viento inducida de rugosidad habitual, la velocidad de viento en la parte superior y la parte inferior del plano de rotor, es decir, lo más alejado y más cercano del suelo, puede variar de +10% a -15% respectivamente en comparación con la velocidad de viento medida en la góndola. En casos de cizalladuras más altas, estas desviaciones pueden ser de +30% en la parte superior y - 40% en la parte inferior. En consecuencia, ya que los puntos establecidos de paso de funcionamiento se determinan por la velocidad de viento de góndola, la turbina no se hace funcionar en puntos establecidos óptimos sobre el barrido completo del plano de rotor. El documento WO 2011/150931 A2 da a conocer un método para hacer funcionar una turbina eólica que comprende las etapas de proporcionar una curva que define el ángulo de paso óptimo en función de la relación de velocidad de punta para las palas de turbina eólica o en función de la velocidad de viento y modificar al menos una parte de la curva de ángulo de paso óptimo aplicando un amortiguador de seguridad.It is currently known to optimize the power output based on an optimal collective pitch angle that is determined from the gondola wind speed and the rotor speed. Therefore, the wind speed on which the correction is based is the wind speed measured in the gondola. However, the wind speed along the length of the blade and around the plane of rotation can vary greatly. With a profile of wind shear induced of habitual roughness, the wind speed in the upper part and the lower part of the rotor plane, that is, the furthest and closest from the ground, can vary from + 10% to -15 % respectively compared to the wind speed measured in the gondola. In cases of higher shears, these deviations can be + 30% at the top and - 40% at the bottom. Consequently, since the established operating step points are determined by the gondola wind speed, the turbine is not operated at optimum set points on the full sweep of the rotor plane. WO 2011/150931 A2 discloses a method for operating a wind turbine comprising the steps of providing a curve defining the optimum pitch angle as a function of the tip speed ratio for wind turbine blades or in function of the wind speed and modify at least a part of the optimum pitch angle curve by applying a safety damper.
El documento EP 2 175 131 A2 da a conocer una turbina eólica que puede ajustar un primer ángulo de paso y al menos un segundo ángulo de paso de al menos una pala de rotor en función de la posición de rotación del rotor mientras está rotando el rotor de la turbina eólica.EP 2 175 131 A2 discloses a wind turbine that can adjust a first pitch angle and at least a second pitch angle of at least one rotor blade depending on the rotor rotation position while the rotor is rotating of the wind turbine.
Sumario de la invenciónSummary of the invention
Según la invención, se proporciona un método de control de una turbina eólica que tiene un rotor y una pluralidad de palas de rotor, que comprende obtener un valor de velocidad de viento, determinar la carga de pala que comprende determinar momentos de flexión de pala, estimar una componente de cizalladura de viento vertical a través del plano de rotor a partir del valor de velocidad de viento y una estimación de momento de inclinación de cojinete principal derivada de los momentos de flexión de pala, una medida de paso de pala y ángulo acimutal, determinar la relación de velocidad de punta a partir del valor de velocidad de viento y la velocidad de viento sobre el plano de rotor, seleccionar una curva de relación de velocidad de punta frente al ángulo de paso de pala basándose en la componente de cizalladura de viento vertical estimada, seleccionar un ángulo de paso de pala basándose en la curva seleccionada y la relación de velocidad de punta, y ajustar el paso de pala según el ángulo de paso de pala seleccionado.According to the invention, there is provided a method of controlling a wind turbine having a rotor and a plurality of rotor blades, which comprises obtaining a wind speed value, determining the blade load comprising determining blade bending moments, estimate a vertical wind shear component through the rotor plane from the wind speed value and an estimate of the main bearing tilt moment derived from the blade bending moments, a blade pitch measurement and azimuth angle , determine the tip speed ratio from the wind speed value and the wind speed on the rotor plane, select a tip speed ratio curve versus the blade pitch angle based on the shear component of estimated vertical wind, select a blade pitch angle based on the selected curve and the tip speed ratio, and adjust the pitch of pa according to the selected blade pitch angle.
La invención también proporciona un sistema de control para una turbina eólica que tiene un rotor y una pluralidad de palas de rotor, comprendiendo el sistema de control un sensor de carga de pala, un sensor de posición acimutal, un sensor de posición de paso de pala y un procesador para estimar una componente de cizalladura de viento vertical a través del plano de rotor, determinando el procesador momentos de flexión de pala en la dirección de batimiento a partir de señales de los sensores de carga de pala, determinar una estimación de momento de inclinación de cojinete principal a partir de los momentos de flexión de pala en la dirección de batimiento y la posición de paso de pala y la posición acimutal, y estimar la cizalladura de viento vertical a partir del momento de inclinación de cojinete principal y la velocidad de viento, determinando el procesador una relación de velocidad de punta a partir de una medida de velocidad de viento sobre el plano de rotor, y un almacenamiento de curvas de relación de velocidad de punta y referencia de paso de pala para una cizalladura de viento vertical dada, determinando el procesador un ángulo de paso de pala a partir de una del conjunto de curvas basándose en la cizalladura de viento vertical estimada y la relación de velocidad de punta, y un controlador para ajustar el ángulo de paso de al menos una de las palas de rotor según el ángulo de paso de pala determinado.The invention also provides a control system for a wind turbine having a rotor and a plurality of rotor blades, the control system comprising a blade loading sensor, an azimuth position sensor, a blade pitch position sensor and a processor for estimating a vertical wind shear component through the rotor plane, determining the processor bending moments in the bending direction from signals from the blade load sensors, determining an estimate of momentum of main bearing inclination from the bending moments of the blade in the direction of beating and the position of the blade and the azimuthal position, and estimate the vertical wind shear from the moment of the main bearing inclination and the speed of wind, the processor determining a peak speed ratio from a measure of wind speed on the rotor plane, and a Storage of tip speed ratio and blade pitch reference curves for a given vertical wind shear, the processor determining a blade pitch angle from one of the set of curves based on the estimated vertical wind shear and the tip speed ratio, and a controller to adjust the pitch angle of at least one of the rotor blades according to the determined blade pitch angle.
Las mediciones de la carga de pala pueden estar fácilmente disponibles para un controlador de turbina eólica. La carga de pala se mide para muchos otros fines de control. Por ejemplo, usando galgas extensiométricas o sensores de fibra óptica ubicados en las palas de rotor.Shovel load measurements may be readily available for a wind turbine controller. Shovel load is measured for many other control purposes. For example, using strain gauges or fiber optic sensors located on the rotor blades.
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La medida de cizalladura de viento puede usarse para estimar la velocidad de viento sobre el plano de rotor que se usa en el cálculo de la relación de velocidad de punta. La relación de velocidad de punta (X) es una relación bien conocida de la velocidad de rotación de la punta de las palas de rotor con respecto a la velocidad de viento.The wind shear measurement can be used to estimate the wind speed on the rotor plane that is used in the calculation of the tip speed ratio. The tip speed ratio (X) is a well known ratio of the speed of rotation of the tip of the rotor blades with respect to the wind speed.
Ventajosamente, la cizalladura de viento vertical estimada puede tener en cuenta el error de guiñada para mejorar adicionalmente la estimación.Advantageously, the estimated vertical wind shear can take into account the yaw error to further improve the estimate.
Ventajosamente, la velocidad de viento se determina en la góndola de turbina eólica aunque se puede usar una medición de velocidad de viento derivada o detectada en otro lugar.Advantageously, the wind speed is determined in the wind turbine gondola although a wind speed measurement derived or detected elsewhere can be used.
El ángulo de paso de pala puede ser un ángulo de paso de pala colectivo aplicado para ajustar todas de la pluralidad de palas de rotor. Alternativamente, el ángulo de paso de pala puede ser un ángulo de paso de pala individual y la selección del ángulo de paso de pala se realiza para cada una de la pluralidad de palas de rotor.The blade pitch angle may be a collective blade pitch angle applied to adjust all of the plurality of rotor blades. Alternatively, the blade pitch angle can be an individual blade pitch angle and the blade pitch angle selection is made for each of the plurality of rotor blades.
En la realización de ángulo de paso de pala individual, la relación de velocidad de punta puede determinarse en una pluralidad de posiciones en el plano de rotor y el ángulo de paso de pala puede seleccionarse para cada una de la pluralidad de posiciones. Esto hace posible que el ángulo de paso siga una curva de factor de coeficiente de potencia óptima de Cp en una relación de velocidad de punta dada.In the embodiment of individual blade pitch angle, the tip speed ratio can be determined in a plurality of positions in the rotor plane and the blade pitch angle can be selected for each of the plurality of positions. This makes it possible for the pitch angle to follow an optimum power coefficient factor curve of Cp at a given tip speed ratio.
La invención también proporciona un método de control de una turbina eólica que tiene un rotor y una pluralidad de palas de rotor, que comprende obtener un valor de velocidad de viento, determinar la carga de pala que comprende determinar momentos de flexión de pala, estimar una componente de cizalladura de viento horizontal a través del plano de rotor a partir de una estimación de momento de guiñada de cojinete principal derivada de la posición de paso de pala, ángulo acimutal y los momentos de flexión de pala, determinar la relación de velocidad de punta a partir de la velocidad de viento y la velocidad de viento sobre el plano de rotor, seleccionar una curva de relación de velocidad de punta frente al ángulo de paso de pala basándose en la componente de cizalladura de viento horizontal estimada, seleccionar un ángulo de paso de pala basándose en la curva seleccionada y la relación de velocidad de punta, y ajustar el paso de pala según el ángulo de paso de pala seleccionado.The invention also provides a method of controlling a wind turbine having a rotor and a plurality of rotor blades, which comprises obtaining a wind speed value, determining the blade load comprising determining blade bending moments, estimating a Horizontal wind shear component through the rotor plane from an estimate of the main bearing yaw moment derived from the blade pitch position, azimuthal angle and blade flex moments, determine the tip speed ratio from the wind speed and wind speed on the rotor plane, select a tip speed ratio curve versus the blade pitch angle based on the estimated horizontal wind shear component, select a pitch angle Shovel based on the selected curve and the tip speed ratio, and adjust the blade pitch according to the blade pitch angle lected
La invención proporciona además un sistema de control, en el que el procesador determina la relación de velocidad de punta de una pluralidad de posiciones en el plano de rotor y determina un ángulo de paso para cada una de la pluralidad de posiciones.The invention further provides a control system, in which the processor determines the tip speed ratio of a plurality of positions in the rotor plane and determines a pitch angle for each of the plurality of positions.
Realizaciones de la invención tienen la ventaja de que una medida de cizalladura de viento puede estimarse fácilmente usando sensores y parámetros que están fácilmente disponibles en una turbina eólica. La cizalladura de viento estimada puede usarse entonces de manera conjunta con una estrategia de paso de pala individual o colectivo para controlar las palas de turbina de modo que la salida de potencia pueda aumentarse cuando las condiciones de cizalladura estén presentes a través del pala de rotor o bien en dirección horizontal o bien en vertical o bien en ambasEmbodiments of the invention have the advantage that a wind shear measurement can be easily estimated using sensors and parameters that are readily available in a wind turbine. The estimated wind shear can then be used in conjunction with an individual or collective blade pitch strategy to control the turbine blades so that the power output can be increased when the shear conditions are present through the rotor blade or either horizontally or vertically or both
Breve descripción de los dibujosBrief description of the drawings
Ahora se describirán realizaciones de la invención únicamente a modo de ejemplo y con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:Embodiments of the invention will now be described by way of example only and with reference to the accompanying drawings, in which:
la figura 1 es una vista esquemática de un estimador de cizalladura de viento vertical que representa la invención;Figure 1 is a schematic view of a vertical wind shear estimator representing the invention;
la figura 2 es un dibujo a modo de ejemplo que ilustra los ejes x y z de un rotor de turbina eólica;Figure 2 is an exemplary drawing illustrating the x and z axes of a wind turbine rotor;
la figura 3 es una vista esquemática de un caso generalizado del estimador de la figura 1 que puede estimar cizalladura horizontal y vertical;Figure 3 is a schematic view of a generalized case of the estimator of Figure 1 that can estimate horizontal and vertical shear;
la figura 4 es una vista esquemática de un controlador de paso colectivo dependiente de la cizalladura que representa la invención;Figure 4 is a schematic view of a shear dependent collective pitch controller representing the invention;
la figura 5 es una vista esquemática de un controlador de paso individual dependiente de la cizalladura que representa la invención;Figure 5 is a schematic view of a single shear-dependent step controller representing the invention;
la figura 6 es un gráfico que muestra la correlación entre el momento de inclinación y la cizalladura de viento;Figure 6 is a graph showing the correlation between the tilt moment and the wind shear;
la figura 7 es una vista esquemática que ilustra cómo la cizalladura de viento vertical afecta a la relación de velocidad de punta;Figure 7 is a schematic view illustrating how vertical wind shear affects the tip speed ratio;
la figura 8 muestra una superficie de coeficiente de potencia para controladores de paso individual y colectivo; la figura 9 es un gráfico de revolución de rotor y posición de paso que ilustra un control de paso cíclico; y la figura 10 muestra una curva 0-X óptima dependiente de la cizalladura;Figure 8 shows a power coefficient surface for individual and collective step controllers; Figure 9 is a rotor revolution and step position graph illustrating a cyclic step control; and Figure 10 shows an optimal 0-X curve dependent on the shear;
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La siguiente descripción aborda la optimización de salida de potencia en condiciones de cizalladura de viento a partir de tres aspectos: la estimación de cizalladura; un funcionamiento de controlador de paso colectivo en cizalladura estimada; y, alternativamente, un controlador de paso individual basado en la cizalladura. Aunque las realizaciones descritas son adecuadas para su uso en condiciones de alta cizalladura de viento, la invención no está limitada a condiciones de alta cizalladura de viento. Sin embargo, se apreciará que la contribución a la optimización de potencia hecha por las realizaciones de la invención disminuirá a medida que disminuya la cizalladura. Para evitar toda duda, la invención no está limitada a ningún tipo particular de cizalladura e incluye, pero no está limitada a cizalladura de viento horizontal y vertical.The following description addresses the optimization of power output in wind shear conditions from three aspects: the shear estimation; an operation of collective passage controller in estimated shear; and, alternatively, an individual step controller based on the shear. Although the described embodiments are suitable for use in high wind shear conditions, the invention is not limited to high wind shear conditions. However, it will be appreciated that the contribution to power optimization made by the embodiments of the invention will decrease as the shear decreases. For the avoidance of doubt, the invention is not limited to any particular type of shear and includes, but is not limited to horizontal and vertical wind shear.
La figura 1 muestra un esquema de un estimador de cizalladura de viento vertical. Como con todas las realizaciones de la invención descritas en el presente documento, este puede realizarse en un controlador de turbina eólica a bordo o bien de manera independiente o bien de manera adicional a funciones de control existentes. Alternativamente, puede formar parte de un controlador de planta de energía y estar ubicado alejado de la turbina. El controlador comprende un procesador y componentes de hardware relacionados que incluyen memoria y recibe entradas de una pluralidad de sensores que detectan parámetros que afectan al funcionamiento de la turbina eólica.Figure 1 shows a schematic of a vertical wind shear estimator. As with all embodiments of the invention described herein, this can be performed in an on-board wind turbine controller either independently or in addition to existing control functions. Alternatively, it can be part of a power plant controller and be located away from the turbine. The controller comprises a processor and related hardware components that include memory and receives inputs from a plurality of sensors that detect parameters that affect the operation of the wind turbine.
La figura 1 muestra un estimador de momento de inclinación de cojinete principal 10 que recibe como su entrada la posición acimutal, la posición de paso y un momento de flexión en la dirección de batimiento y en la dirección de arrastre de pala de cada pala. En este ejemplo, hay tres palas que proporcionan tres momentos de flexión en la dirección de batimiento, Mbatimiento1, Mbatimiento2 y Mbatimiento3, y tres momentos de flexión en la dirección de arrastre, Marrastre1, Marrastre2 y Marrastre3. El momento de flexión en la dirección de batimiento es el momento de flexión fuera del plano de rotación y, por tanto, muy susceptible a la regulación de paso de pala El cálculo de momentos de flexión de pala en la dirección de batimiento se conoce bien en la técnica y puede calcularse usando sensores extensiométricos, por ejemplo. Los momentos de flexión en la dirección de arrastre de pala pueden calcularse, o estimarse, usando también sensores extensiométricos, por ejemplo. El momento de inclinación se define como el momento de inclinación del cojinete principal alrededor del eje x. Para facilitar la comprensión, la figura 2 ilustra un rotor de turbina eólica que muestra las tres palas como pala 1, pala 2 y pala 3 junto con los ejes x y z.Figure 1 shows a main bearing inclination moment estimator 10 which receives as its input the azimuthal position, the passage position and a bending moment in the direction of beating and in the direction of blade driving of each blade. In this example, there are three blades that provide three bending moments in the direction of paddling, Mbatimiento1, Mbatimiento2 and Mbatimiento3, and three bending moments in the direction of drag, Marrastre1, Marrastre2 and Marrakech3. The bending moment in the bending direction is the bending moment outside the rotation plane and, therefore, very susceptible to the pitch adjustment The calculation of bending moments in the bending direction is well known in the technique and can be calculated using extensiometric sensors, for example. The bending moments in the direction of shoveling can be calculated, or estimated, also using extensiometric sensors, for example. The tilt moment is defined as the tilt moment of the main bearing around the x axis. For ease of understanding, Figure 2 illustrates a wind turbine rotor showing the three blades as blade 1, blade 2 and blade 3 together with the x and z axes.
La posición acimutal es una medida de la posición de las palas en cualquier momento dado mientras rotan. La posición acimutal en el plano de rotor se define como el ángulo entre una primera pala y el eje z. Pueden calcularse posiciones acimutales independientes para cada pala aunque todas las posiciones pueden calcularse a partir de una medición única.The azimuthal position is a measure of the position of the blades at any given time while rotating. The azimuthal position in the rotor plane is defined as the angle between a first blade and the z axis. Independent azimuth positions can be calculated for each blade although all positions can be calculated from a single measurement.
El estimador de momento de inclinación estima momentos de inclinación a partir de los momentos de flexión en la dirección de batimiento, una estimación o medida de momentos de flexión en la dirección de arrastre, la posición de paso y posiciones acimutales y emite una señal de momento de inclinación Minoración. Los momentos de inclinación pueden estimarse usando la conocida transformación de coordenadas de Coleman.The inclination moment estimator estimates moments of inclination from the bending moments in the beating direction, an estimation or measurement of bending moments in the drag direction, the step position and azimuthal positions and emits a moment signal Tilt Minoration. Tilt moments can be estimated using the well-known Coleman coordinate transformation.
Los momentos de inclinación estimados forman una entrada a una función de transferencia de cizalladura de viento 12 que también recibe una medida de la velocidad de viento de góndola. La posición de paso puede ser individual o colectiva. La velocidad de viento de góndola puede medirse por una variedad de medios tales como un anemómetro montado en una góndola. La velocidad de viento necesita medirse en la góndola, pero puede medirse, por ejemplo, en otro punto en la turbina eólica, o incluso por adelantado usando un Lidar u otro dispositivo de detección remota. Alternativamente, puede estimarse la velocidad de viento.The estimated tilt moments form an input to a wind shear transfer function 12 that also receives a gondola wind speed measurement. The step position can be individual or collective. The gondola wind speed can be measured by a variety of means such as an anemometer mounted on a gondola. Wind speed needs to be measured in the gondola, but it can be measured, for example, at another point in the wind turbine, or even in advance using a Lidar or other remote sensing device. Alternatively, the wind speed can be estimated.
La función de transferencia de cizalladura de viento estima la cizalladura de viento vertical a para una velocidad de viento de entrada dada. Esto puede comprender un almacenamiento o una memoria que almacena curvas de cizalladura de viento frente a momento de inclinación para una pluralidad de velocidades de viento.The wind shear transfer function estimates the vertical wind shear a for a given input wind speed. This may comprise a storage or memory that stores wind shear curves versus tilt for a plurality of wind speeds.
Con referencia a la figura 3, se muestra una realización genérica que puede usarse para estimar o bien la cizalladura horizontal o bien la vertical. Como antes, la cizalladura vertical se estima a partir de una estimación de momentos de inclinación basándose en los momentos de flexión de pala en la dirección de batimiento y la dirección de arrastre, posición de paso y posición acimutal. Sin embargo, también puede estimarse la cizalladura horizontal usando los momentos de flexión de pala en la dirección de batimiento y en la dirección de arrastre, las posiciones de paso de pala y las posiciones acimutales para estimar momentos de guiñada. El momento de guiñada se define como el momento de cojinete principal alrededor del eje z. En la figura 3, esto se representa mediante el estimador de momento de guiñada e inclinación 11 que tiene como entradas los momentos de batimiento y arrastre de pala Mbatimiento 1, 2 y 3, y Marrastre 1, 2 y 3 junto con la posición acimutal y de paso tal como en la figura 1.With reference to Figure 3, a generic embodiment is shown that can be used to estimate either the horizontal or vertical shear. As before, the vertical shear is estimated from an estimation of tilt moments based on the moments of blade bending in the direction of bending and the direction of drag, step position and azimuthal position. However, the horizontal shear can also be estimated using the blade bending moments in the paddling direction and in the drag direction, the blade pitch positions and the azimuthal positions to estimate yaw moments. The yaw moment is defined as the main bearing moment around the z axis. In Figure 3, this is represented by the yaw and tilt moment estimator 11 which has as inputs the beating and dragging moments of Mbatimiento blade 1, 2 and 3, and Marrakesh 1, 2 and 3 together with the azimuthal position and passing as in figure 1.
La estimación de cizalladura de viento vertical se hace tal como en la figura 1, excepto porque la estimación puede mejorarse teniendo en cuenta un error de guiñada, siendo una medida del desalineamiento del rotor con la dirección del viento. Por tanto, en la figura 2, la estimación de cizalladura de viento vertical 12 se muestra como que tiene entradas de velocidad de viento de góndola, error de guiñada y momento de inclinación, y una salida de cizalladura de viento vertical av.The vertical wind shear estimate is made as in Figure 1, except that the estimate can be improved taking into account a yaw error, being a measure of the rotor's misalignment with the wind direction. Therefore, in Figure 2, the vertical wind shear estimate 12 is shown as having gondola wind speed inputs, yaw error and tilt moment, and a vertical wind shear output av.
La velocidad de viento puede calcularse mediante una variedad de técnicas mencionadas anteriormente y puede medirse en otra ubicación distinta a la góndola.Wind speed can be calculated using a variety of techniques mentioned above and can be measured at a location other than the gondola.
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El estimador de cizalladura de viento horizontal 14 toma como entrada el momento de guiñada Mguiñada proporcionado por el estimador de momento de guiñada. Este momento se usa, con la medición de velocidad de viento de góndola, u otra medición velocidad de viento descrita, para estimar la cizalladura de viento horizontal. Aunque no es esencial, la estimación puede mejorarse teniendo en cuenta el ángulo de flujo de entrada que se muestra como tercera entrada al estimador. El ángulo de flujo de entrada es el ángulo en el que el flujo de aire medio entra en el rotor. Tal como el estimador de cizalladura vertical, el estimador de cizalladura de viento horizontal puede comprender un almacenamiento de curvas del momento de guiñada frente a la cizalladura de viento horizontal a diversas velocidades de viento.The horizontal wind shear estimator 14 takes as input the Mguiñada yaw moment provided by the yaw moment estimator. This moment is used, with the gondola wind speed measurement, or other described wind speed measurement, to estimate the horizontal wind shear. Although not essential, the estimate can be improved by taking into account the input flow angle shown as the third input to the estimator. The inlet flow angle is the angle at which the average air flow enters the rotor. Just like the vertical shear estimator, the horizontal wind shear estimator can comprise a storage of yaw moment curves versus the horizontal wind shear at various wind speeds.
En una realización alternativa, los momentos de inclinación y/o guiñada pueden medirse directamente, por ejemplo, usando galgas extensiométricas.In an alternative embodiment, the tilt and / or yaw moments can be measured directly, for example, using strain gauges.
En la generalización de la figura 3, el error de guiñada y el ángulo de flujo de entrada inducen un momento de inclinación y guiñada adicional que se tiene en cuenta en la función de transferencia respectiva, pero puede omitirse.In the generalization of Figure 3, the yaw error and the inlet flow angle induce an additional tilt and yaw moment that is taken into account in the respective transfer function, but can be omitted.
Por tanto, la cizalladura de viento se estima basándose en una determinación de carga de pala. Esta carga puede ser la carga de batimiento de pala y la carga de arrastre de pala. La carga de arrastre puede estimarse en lugar de medirse. La carga de batimiento puede estimarse también, pero las turbinas eólicas actuales generalmente tienen sensores disponibles para medir la carga.Therefore, wind shear is estimated based on a blade load determination. This load can be the paddle paddle load and the paddle drag load. The drag load can be estimated instead of measured. The beating load can also be estimated, but current wind turbines generally have sensors available to measure the load.
Tal como se muestra en la figura 3, la señal de cizalladura de viento horizontal ah y la señal de cizalladura de viento vertical av pueden usarse para estimar el vector de velocidad de viento en cualquier posición en el plano de rotor. Esto se representa en la figura 3 mediante un estimador de velocidad de viento 16 que determina la velocidad de viento sobre el plano de rotor y que tiene entradas de posición acimutal, velocidad de viento, error de guiñada y ángulo de flujo de entrada y salida de una velocidad de viento.As shown in Figure 3, the horizontal wind shear signal ah and the vertical wind shear signal av can be used to estimate the wind speed vector at any position in the rotor plane. This is represented in Figure 3 by a wind speed estimator 16 which determines the wind speed on the rotor plane and which has azimuth position, wind speed, yaw error and input and output flow angle of a wind speed
El ángulo de flujo de entrada puede medirse o determinarse a partir del terreno en el que se monta la turbina eólica. El error de guiñada puede medirse a partir de un sensor de dirección de viento. Con el fin de calcular los vectores de velocidad de viento, el estimador de velocidad de rotor requiere un modelo de perfil de cizalladura de viento. Pueden usarse diversos modelos. Para el cálculo de cizalladura de viento horizontal puede usarse un perfil lineal; para el cálculo de cizalladura de viento vertical puede usarse un perfil de viento logarítmico o un perfil de ley potencial tal como se especifica en el documento IEC61400-1-ed3, sección 3,62. Son posibles otros perfiles. Se muestra un ejemplo en la figura 7 que se describe a continuación.The inlet flow angle can be measured or determined from the terrain on which the wind turbine is mounted. The yaw error can be measured from a wind direction sensor. In order to calculate wind speed vectors, the rotor speed estimator requires a wind shear profile model. Various models can be used. For the calculation of horizontal wind shear a linear profile can be used; For the calculation of vertical wind shear a logarithmic wind profile or a potential law profile can be used as specified in document IEC61400-1-ed3, section 3.62. Other profiles are possible. An example is shown in Figure 7 described below.
La velocidad de viento estimada se usa para calcular la relación de velocidad de punta X y ángulo de paso 0 óptimos. Este valor óptimo puede encontrarse para un ángulo de paso colectivo o ángulos de paso de pala individuales. Un ejemplo de un controlador de paso colectivo es la figura 4. La entrada para el dispositivo de cálculo de paso 18 es el valor de cizalladura de viento estimado a. Este puede ser la cizalladura de viento vertical av, la cizalladura de viento horizontal ah o ambas. La estimación de velocidad de viento tal como se describe anteriormente se usa, junto con la velocidad de viento medida, para determinar la relación punta-velocidad X en la unidad 20 y la referencia de paso colectivo se genera a partir de un conjunto de curvas optimizadas de relación de velocidad de punta con respecto al ángulo de paso (X:0) para un valor dado de cizalladura de viento. Estas curvas optimizadas son curvas predeterminadas que están prealmacenadas en una memoria del sistema de control.The estimated wind speed is used to calculate the optimum tip speed X and pitch angle 0. This optimal value can be found for a collective pitch angle or individual blade pitch angles. An example of a collective step controller is Figure 4. The input for the step calculation device 18 is the estimated wind shear value a. This can be the vertical wind shear av, the horizontal wind shear ah or both. The wind speed estimate as described above is used, together with the measured wind speed, to determine the tip-speed ratio X in unit 20 and the collective pitch reference is generated from a set of optimized curves of tip speed ratio with respect to the pitch angle (X: 0) for a given wind shear value. These optimized curves are predetermined curves that are pre-stored in a control system memory.
La figura 5 muestra un ejemplo de un controlador de paso de pala individual basado en una entrada de cizalladura de viento. En este ejemplo, el ángulo de paso individual óptimo se determina para una posición de pala específica en el plano de rotor. Por tanto, mientras una pala, el ángulo de paso óptimo, rota basándose en cambios de cizalladura de viento estimada. Por tanto, en la figura 5, el dispositivo de cálculo de relación de velocidad de punta 22 tiene entradas de cizalladura de viento estimada (o bien vertical y/o bien horizontal), velocidad de viento estimada tal como se describe anteriormente, y velocidad de viento medida. Entonces calcula las relaciones de velocidad de punta en las partes superior e inferior del plano de rotor (Xsuperior y Xinferior) y en el buje (Xbuje). Estos tres valores forman las entradas a un dispositivo de cálculo de ángulo de paso 24 que calcula los ángulos de paso óptimos en las posiciones superior, inferior y de buje basándose en las entradas de relación de velocidad de punta y una curva óptima predeterminada de relación de velocidad de punta con respecto al ángulo de paso (X:0). Esta curva óptima también está prealmacenada en una memoria del controlador. El dispositivo de cálculo de ángulo de paso 24 emite ángulos de paso para las tres posiciones, 0superior, 0buje, 0inferior que se proporcionan a una unidad de interpolación que calcula ángulos de paso reales 01, 02, 03 basándose en los valores calculados y una entrada de posición acimutal.Figure 5 shows an example of a single blade pitch controller based on a wind shear input. In this example, the optimum individual pitch angle is determined for a specific blade position in the rotor plane. Therefore, while a shovel, the optimum pitch angle, rotates based on estimated wind shear changes. Therefore, in Figure 5, the tip speed ratio calculation device 22 has estimated wind shear inputs (either vertical and / or horizontal), estimated wind speed as described above, and speed of measured wind. Then calculate the tip speed ratios in the upper and lower parts of the rotor plane (Xsuperior and Xinferior) and in the hub (Xbuje). These three values form the inputs to a step angle calculation device 24 that calculates the optimum passage angles at the upper, lower and bushing positions based on the tip speed ratio inputs and a predetermined optimum curve of the ratio of tip speed with respect to the step angle (X: 0). This optimal curve is also pre-stored in a controller memory. The step angle calculation device 24 emits angles of passage for the three positions, upper, 0, lower, or 0 that are provided to an interpolation unit that calculates actual angles of passage 01, 02, 03 based on the calculated values and an input of azimuthal position.
Con referencia de nuevo a las figuras 1 y 3, la estimación de cizalladura de viento vertical se basa en una estimación de momentos de inclinación. El momento de inclinación se calcula a partir de los momentos de pala en la dirección de batimiento y en la dirección de arrastre, por ejemplo, los momentos de raíz de pala en la dirección de batimiento/en la dirección de arrastre. Estos momentos pueden medirse usando sensores de carga de pala, que se conocen bien en la técnica. Una galga extensométrica es un ejemplo de muchos sensores adecuados y están ubicados normalmente en la raíz de pala, aunque son posibles otras ubicaciones.With reference again to Figures 1 and 3, the vertical wind shear estimate is based on an estimate of tilt moments. The tilt moment is calculated from the shovel moments in the direction of paddling and in the direction of drag, for example, the moments of blade root in the direction of paddling / in the direction of drag. These moments can be measured using paddle load sensors, which are well known in the art. An strain gauge is an example of many suitable sensors and is normally located in the blade root, although other locations are possible.
La figura 6 muestra una correlación entre el momento de inclinación de cojinete principal y el exponente de cizalladura de viento para un perfil de ley potencial. Las correlaciones se muestran en un intervalo de velocidades deFigure 6 shows a correlation between the main bearing tilt moment and the wind shear exponent for a potential grade profile. The correlations are shown in a range of speeds of
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viento con la curva 30 que se refiere a una velocidad de viento Vbuje = 4 m/s; la curva 32 que se refiere a una velocidad de viento Vbuje = 6 m/s; la curva 34 que se refiere a una velocidad de viento Vbuje = 8 m/s; la curva 36 que se refiere a una velocidad de viento Vbuje = 10 m/s y la curva 38 que se refiere a una velocidad de viento Vbuje = 12 m/s. El cojinete principal es el cojinete que conecta el rotor al árbol principal.wind with curve 30 which refers to a wind speed Vbuje = 4 m / s; curve 32 which refers to a wind speed Vbuje = 6 m / s; curve 34 which refers to a wind speed Vbuje = 8 m / s; curve 36 which refers to a wind speed Vbuje = 10 m / s and curve 38 which refers to a wind speed Vbuje = 12 m / s. The main bearing is the bearing that connects the rotor to the main shaft.
Aunque no se muestra, el momento de guiñada se usa de manera similar para calcular la cizalladura de viento horizontal y hay una correlación similar entre el exponente de cizalladura de viento horizontal y el momento de guiñada.Although not shown, the yaw moment is similarly used to calculate the horizontal wind shear and there is a similar correlation between the horizontal wind shear exponent and the yaw moment.
El controlador de paso individual de la figura 5 se comentará ahora con más detalle. Los comentarios siguientes se refieren a una estimación de cizalladura vertical, pero es igualmente aplicable a la estimación de cizalladura horizontal o vertical y horizontal.The individual step controller of Figure 5 will now be discussed in more detail. The following comments refer to an estimate of vertical shear, but it is equally applicable to the estimate of horizontal or vertical and horizontal shear.
La figura 7 muestra una curva de velocidad de viento y la relación de velocidad de punta a diferentes alturas a lo largo del plano de rotor de turbina eólica en condiciones de alta cizalladura de viento positiva. La velocidad de viento en la parte inferior del plano de rotor es la más baja debido a efectos de suelo y aumenta hacia la parte superior. La relación de velocidad de punta es proporcional a la inversa de la velocidad de viento. Por tanto, tal como se muestra en la figura 7, Vinferior ~ 1/Xinferior; Vh ~ 1/Xh; y Vsuperior ~ 1/^superior. Por tanto, la relación de velocidad de punta X varía a través del plano del rotor. Esto se cumple porque la velocidad de punta es la misma para todas las posiciones en el plano de rotor y así la relación de velocidad de punta disminuye en la parte superior del plano de rotor en comparación con el buje y aumenta en la parte inferior del plano de rotor.Figure 7 shows a wind speed curve and the tip speed ratio at different heights along the wind turbine rotor plane under conditions of high positive wind shear. The wind speed at the bottom of the rotor plane is the lowest due to ground effects and increases towards the top. The tip speed ratio is proportional to the inverse of the wind speed. Therefore, as shown in Figure 7, Vinferior ~ 1 / Xinferior; Vh ~ 1 / Xh; and Vsuperior ~ 1 / ^ superior. Therefore, the X-tip speed ratio varies across the rotor plane. This is accomplished because the tip speed is the same for all positions in the rotor plane and thus the tip speed ratio decreases at the top of the rotor plane compared to the bushing and increases at the bottom of the plane rotor
La figura 8 ilustra las ventajas de la regulación de paso de pala individual dependiente de la cizalladura de viento. La figura 8 muestra la superficie de coeficiente de potencia Cp (X, 0). En la figura 8, se muestran valores para una velocidad de viento de buje medida de 10 m/s, y una cizalladura vertical estimada a = 0,6. Las referencias 40, 42, 44 indican puntos establecidos en las posiciones de plano de rotor inferior, de buje y superior respectivamente usando un control de ángulo de paso colectivo. El punto establecido 42 es el punto establecido de buje que se usa en sistemas conocidos para determinar un ángulo de paso colectivo basándose en la velocidad de viento de buje para optimizar el coeficiente de potencia.Figure 8 illustrates the advantages of the regulation of individual blade pitch dependent on wind shear. Figure 8 shows the power coefficient surface Cp (X, 0). In figure 8, values are shown for a measured bus wind speed of 10 m / s, and an estimated vertical shear a = 0.6. References 40, 42, 44 indicate points established at the lower, bushing and upper rotor plane positions respectively using a collective pitch angle control. The set point 42 is the established bushing point that is used in known systems to determine a collective pitch angle based on the bushing wind speed to optimize the power coefficient.
Los puntos establecidos 46, 42, 48 son los puntos de funcionamiento para control de paso individual. El punto establecido 42 es el punto establecido de buje y es el mismo valor que el ejemplo colectivo y el ejemplo de la técnica anterior que sólo usa velocidad de buje. Sin embargo, los puntos de funcionamiento superior e inferior 46, 48 están marcadamente en diferentes ángulos de paso. Se observará que los tres puntos de funcionamiento 46, 42, 48 se encuentran sobre una curva 50 de ángulo de paso óptimo en relación a la relación de velocidad de punta. Se observará que en el ejemplo de control colectivo en la parte superior del plano de rotor la turbina está funcionando en una entrada en pérdida (punto establecido 44) y que en la parte inferior el viento se está bloqueando debido a la alta inducción (punto establecido b 40). Usando control de ángulo de paso individual, la turbina puede funcionar a lo largo de la curva óptima de ángulo de paso : relación de velocidad de punta (0 : X) y por tanto aumentar el valor de Cp total.The established points 46, 42, 48 are the operating points for individual step control. The set point 42 is the established bushing point and is the same value as the collective example and the prior art example that only uses bushing speed. However, the upper and lower operating points 46, 48 are markedly at different angles of passage. It will be noted that the three operating points 46, 42, 48 are on a curve 50 of optimum pitch angle in relation to the tip speed ratio. It will be noted that in the example of collective control in the upper part of the rotor plane the turbine is operating at a loss input (set point 44) and that in the lower part the wind is blocking due to high induction (set point b 40). Using individual pitch angle control, the turbine can operate along the optimum curve of pitch angle: tip speed ratio (0: X) and therefore increase the total Cp value.
La figura 9 muestra cómo la referencia de paso individual es cíclica. Como ejemplo, para un coeficiente de cizalladura de 0,6, una referencia de paso 2P actualmente se considera óptima, tal como se ilustra en la figura 9, donde P es la frecuencia de rotor fundamental. Esta figura muestra una curva de paso que está optimizada para Cp máximo. En la práctica, puede ser necesario suavizar las transiciones entre las partes superior e inferior del plano de rotor.Figure 9 shows how the individual step reference is cyclic. As an example, for a shear coefficient of 0.6, a 2P pitch reference is currently considered optimal, as illustrated in Figure 9, where P is the fundamental rotor frequency. This figure shows a step curve that is optimized for maximum Cp. In practice, it may be necessary to smooth the transitions between the upper and lower parts of the rotor plane.
La regulación de paso cíclico provoca actividad de paso aumentada que puede tener consecuencias adversas en áreas tales como la vida útil de cojinete de paso. Una curva de ángulo de paso : relación de velocidad de punta optimizada dependiente de la cizalladura de viento puede proporcionar un coste de energía (CoE) más bajo durante la vida útil de una turbina. Esta curva se deriva calculando un ángulo de paso colectivo óptimo de Cp para diversos valores de relación de velocidad de punta a altura de buje y se ilustra en la figura 10. Esta figura es un mapa de la superficie de Cp similar a la figura 8 con curvas dependientes de la cizalladura óptimas mostradas para cizalladuras verticales de a = 0, 0,3, y 0,6 en curvas 80, 83, y 86 respectivamente.Cyclic pitch regulation causes increased pitch activity that can have adverse consequences in areas such as the pitch bearing life. A step angle curve: optimized tip speed ratio dependent on wind shear can provide a lower energy cost (CoE) during the life of a turbine. This curve is derived by calculating an optimal collective pitch angle of Cp for various values of tip-to-bushing height ratio and is illustrated in Figure 10. This figure is a map of the Cp surface similar to Figure 8 with Optimal shear-dependent curves shown for vertical shears of a = 0, 0.3, and 0.6 in curves 80, 83, and 86 respectively.
Tal como en el ejemplo anterior, los resultados se refieren a cizalladura de viento vertical, pero también se aplican a control de paso dependiente de la cizalladura de viento horizontal o control de paso dependiente de la cizalladura vertical y horizontal.As in the previous example, the results refer to vertical wind shear, but also apply to horizontal wind shear-dependent pitch control or vertical and horizontal shear-dependent pitch control.
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| EP3343025A1 (en) * | 2016-12-30 | 2018-07-04 | Acciona Windpower, S.A. | Method of reducing loads acting on a wind turbine yaw system |
| US10451036B2 (en) * | 2017-05-05 | 2019-10-22 | General Electric Company | Adjustment factor for aerodynamic performance map |
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| US11519386B2 (en) | 2017-09-15 | 2022-12-06 | Vestas Wind Systems A/S | Individual pitch control for wind turbines |
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| CN109139372B (en) * | 2018-08-06 | 2020-01-10 | 大连理工大学 | Wind turbine generator control and braking method based on independent variable pitch |
| US10605228B2 (en) | 2018-08-20 | 2020-03-31 | General Electric Company | Method for controlling operation of a wind turbine |
| DE102018007749A1 (en) * | 2018-10-02 | 2020-04-02 | Senvion Gmbh | Method and system for operating a wind turbine |
| CN111379665B (en) * | 2018-12-27 | 2024-02-23 | 北京金风科创风电设备有限公司 | Variable pitch control method and system of wind generating set |
| DE102019000097A1 (en) * | 2019-01-10 | 2020-07-16 | Senvion Gmbh | Method and system for controlling a wind turbine |
| DE102019108244A1 (en) * | 2019-03-29 | 2020-10-01 | Wobben Properties Gmbh | Method for determining a power curve of a wind turbine |
| DE102019118036A1 (en) * | 2019-07-04 | 2021-01-07 | Wobben Properties Gmbh | Method for determining a wind speed in the area of a wind energy installation and wind energy installation for carrying out the method |
| US11060504B1 (en) | 2020-02-07 | 2021-07-13 | General Electric Company | Systems and methods for continuous machine learning based control of wind turbines |
| CN112031998B (en) * | 2020-09-21 | 2021-08-10 | 山东中车风电有限公司 | Wind turbine generator independent variable pitch control optimization method and system based on laser radar |
| US11231012B1 (en) | 2020-09-22 | 2022-01-25 | General Electric Renovables Espana, S.L. | Systems and methods for controlling a wind turbine |
| CN112177864B (en) * | 2020-09-30 | 2022-04-29 | 中国船舶重工集团海装风电股份有限公司 | Method and device for identifying extreme wind shear of wind turbine generator |
| US11649804B2 (en) | 2021-06-07 | 2023-05-16 | General Electric Renovables Espana, S.L. | Systems and methods for controlling a wind turbine |
| CN113792430B (en) * | 2021-09-14 | 2023-08-15 | 华能陇东能源有限责任公司 | Wind shear index calculation method and system for wind power plant in complex terrain |
| CN114355762B (en) * | 2021-12-30 | 2023-09-26 | 上海电机学院 | Pitch control method based on nonsingular rapid terminal sliding mode |
| CN116498490B (en) * | 2023-04-27 | 2024-05-24 | 中国船级社质量认证有限公司 | Variable pitch control method and system for wind turbine generator |
Family Cites Families (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE69814840D1 (en) | 1997-03-26 | 2003-06-26 | Forskningsct Riso Roskilde | WIND TURBINE WITH DEVICE FOR MEASURING THE WIND SPEED |
| US7452185B2 (en) * | 2003-09-10 | 2008-11-18 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd | Blade-pitch-angle control device and wind power generator |
| KR20090094808A (en) * | 2006-10-02 | 2009-09-08 | 클립퍼 윈드파워 테크놀로지 인코포레이티드 | Wind turbine with blade pitch control to compensate for wind shear and wind misalignment |
| US7909575B2 (en) | 2007-06-25 | 2011-03-22 | General Electric Company | Power loss reduction in turbulent wind for a wind turbine using localized sensing and control |
| WO2009056136A2 (en) * | 2007-10-29 | 2009-05-07 | Vestas Wind Systems A/S | Wind turbine blade and method for controlling the load on a blade |
| US8215906B2 (en) * | 2008-02-29 | 2012-07-10 | General Electric Company | Variable tip speed ratio tracking control for wind turbines |
| US20100092292A1 (en) * | 2008-10-10 | 2010-04-15 | Jacob Johannes Nies | Apparatus and method for continuous pitching of a wind turbine |
| CN101476541B (en) * | 2008-12-26 | 2011-02-16 | 华锐风电科技(集团)股份有限公司 | Independent variable oar control system and control method for wind generator set |
| GB2466649B (en) * | 2008-12-30 | 2014-01-29 | Hywind As | Blade pitch control in a wind turbine installation |
| NL2002476C2 (en) * | 2009-02-02 | 2010-08-03 | Univ Delft Tech | WIND TURBINE. |
| US7855469B2 (en) | 2009-10-02 | 2010-12-21 | General Electric Company | Condition monitoring system for wind turbine generator and method for operating wind turbine generator |
| ES2589384T3 (en) * | 2010-06-02 | 2016-11-14 | Vestas Wind Systems A/S | Operation method of a wind turbine with improved power output |
| US8035242B2 (en) * | 2010-11-09 | 2011-10-11 | General Electric Company | Wind turbine farm and method of controlling at least one wind turbine |
| ES2398020B1 (en) * | 2011-03-17 | 2014-09-05 | Gamesa Innovation & Technology, S.L. | METHODS AND SYSTEMS TO RELIEF THE LOADS PRODUCED IN AEROGENERATORS BY THE WIND ASYMETRIES. |
| US8366389B2 (en) | 2011-05-04 | 2013-02-05 | General Electric Company | Methods and apparatus for controlling wind turbine thrust |
| CN102562453B (en) | 2012-03-01 | 2013-09-04 | 国电联合动力技术有限公司 | Pitch control method of variable-speed constant-frequency wind driven power generator at rated revolution speed stage |
| DK2719893T3 (en) * | 2012-10-09 | 2017-04-03 | Alstom Renewable Technologies | Method of operating a variable speed wind turbine |
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